SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及SiC纤维复合材料技术领域，具体而言涉及一种SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料、制备装置及其制备方法。
背景技术
WC-Co硬质合金具有特殊的耐蚀性、高硬度、优良的断裂韧性和抗压强度，有现代工业牙齿之称，在工业上面经常用于高压容器的柱塞和合成金刚石的顶锤和裁纸刀等，在军工、精密仪器和矿山工具、冶金、矿山等领域有着非常重要的地位。
目前，纤维增韧补强硬质合金材料以替代金属相的硏究逐渐得到重视。现有技术中第201210072565.1号中国专利申请提出一种SiC纤维-WC-Co硬质合金复合材料及其制备方法，以WC-Co为基体，通过添加SiC纤维，通过一定的制备工艺，从而制得SiC纤维-WC-Co硬质合金复合材料。由于SiC纤维的强度高，极其纯净，内部缺陷少，而且SiC纤维通过制成纤维布，与WC-Co粉末布交替叠放后，可使SiC纤维在复合材料中均匀分布。SiC纤维在材料中起到了裂纹桥联、裂纹偏转、拔出效应的作用，在提高其强度的同时，提高了材料的韧性。但这一复合材料在酸性介质中，腐蚀程度较重，限制了其在多方面的应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料、制备装置及其制备方法。
本发明第一方面提出的一种SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料，所述SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料包括互为角度方向、多层叠放的复合SiC纤维布，每层复合SiC纤维布为WC-Ni硬质合金粉末通过粘结剂包裹于SiC纤维素材的表面制得，以整体上形成以WC-Ni硬质合金材料为基底，并在基底中添加SiC纤维素材的SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料,其中所述SiC纤维素材占整个SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料重量的4-8％。
优选地，所述WC-Ni硬质合金粉末中，Ni占WC和Ni粉末总重量的10％。
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
优选地，层叠的层数为20-50层。
本发明第二方面提出的一种SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
步骤1、在惰性气体保护环境中，装载WC-Ni粉末与粘结剂，并通过加热和温度监控控制WC-Ni粉末与粘结剂的黏附温度在预定范围；
步骤2、将SiC纤维素材通过装有WC-Ni粉末与粘结剂改性环境，在SiC纤维素材表面形成WC-Ni黏附层；
步骤3、带有WC-Ni黏附层的SiC纤维素材进行滚筒缠绕，形成紧密相排的SiC纤维-WC-Ni结合物；
步骤4、将步骤3得到的SiC纤维-WC-Ni结合物剥离，使用剪裁工具沿不同方向裁剪成复合SiC纤维布；
步骤5、将不同方向的SiC纤维布互为角度方向层叠后，放入热压炉中升温、保温，进行真空除气脱除粘结剂,再在惰性气氛保护下，继续升温、保温，加压制得SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料。
优选地，所述SiC纤维素材占整个SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料重量的4-8％。
优选地，所述WC-Ni硬质合金粉末中，Ni占WC和Ni粉末总重量的10％。
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
优选地，所述层叠的层数为20-50层。
优选地，所述制备方法中的工艺条件控制为：
步骤1中，所述黏附温度控制范围为180-200℃；
步骤5中，所述脱除粘结剂的温度为550-750℃；保温时间0.5-2h；
步骤5中，所述压制温度为1360-1580℃；保温时间2-6h；保压压力为60-80MPa。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的WC-Ni硬质合金复合材料改性的复合SiC纤维布的制备装置的结构示意图。
图2是本发明制备的SiC纤维-WC-Ni结合物进行剪切的示意图。
图3a、3b是本发明制备得到的SiC纤维-WC-Ni结合物进行不同方向的剪裁的示意图。
图4是本发明制备得到的SiC纤维-WC-Ni结合物按照不同角度方向层叠的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-4所示，本发明整体上提出一种SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料，所述SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料包括互为角度方向、多层叠放的复合SiC纤维布，如图4，每层复合SiC纤维布为WC-Ni硬质合金粉末通过粘结剂包裹于SiC纤维素材的表面制得，以整体上形成以WC-Ni硬质合金材料为基底，并在基底中添加SiC纤维素材的SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料,其中所述SiC纤维素材占整个SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料重量的4-8％。
优选地，所述WC-Ni硬质合金粉末中，Ni占WC和Ni粉末总重量的10％。
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
优选地，层叠的层数为20-50层。
结合图1示例性地表示了WC-Ni硬质合金复合材料改性的复合SiC纤维布的装置，其中包括SiC纤维素材滚筒1、复合SiC纤维滚筒2、黏附槽4、温度监控装置5、改向轮组、基板7、缠绕驱动系统8、保护气接口9以及加热装置10。
图2所示的示例中，标号3表示SiC纤维素材。图3a-3b以及图4中，标号11表示复合SiC纤维素材，标号12表示剪裁工具，标号13和14分别为不同方向剪裁后的复合SiC纤维布，标号15表示复合SiC纤维布层叠方向的示例。
结合图1，设置于基底一侧的SiC纤维素材滚筒1，装载SiC纤维素材3并可向复合SiC纤维滚筒2输送。SiC纤维素材滚筒1架设在第一架体21上。
复合SiC纤维滚筒2，设置于基底相对的另一侧。复合SiC纤维滚筒2架设在第二架体22上。
设置于SiC纤维素材滚筒与复合SiC纤维滚筒之间的黏附改性装置，该黏附改性装置被设置成用于对从SiC纤维素材滚筒输送的SiC纤维素材进行改性，通过加热黏附将-WC-Ni硬质合金粉末通过粘结剂包裹于SiC纤维素材的表面。
结合图1所示，黏附改性装置包括构造为箱体的黏附槽4，以及位于箱体的底部外侧并固定到基底7上的加热装置10。
黏附槽4的箱体结构优选为长方体，其具有一个上盖。箱体设置有保护气接口9，用于向箱体内充入惰性保护气体，例如氩气，实现对黏附改性环境的惰性气氛保护，同时保证箱体内呈正压，以防止空气进入。
黏附槽4的箱体内的底部装有WC-Ni硬质合金粉末与粘结剂的混合物，通过加热装置10和温度监控装置5实现对WC-Ni硬质合金粉末与粘结剂的混合物的温度控制，优选地控制黏附温度在180-200℃。本发明的示例中，WC-Ni硬质合金粉末中，Ni占WC和Ni粉末总重量的10％。粘结剂优选为聚偏氟乙烯(PVDF)。
加热装置10，优选采用蛇形加热管，固定在基底7的表面，用于对箱体进行加热，以维持黏附温度的控制。结合图1，更加优选地，蛇形加热管以更加有利与温度维持和均匀加热的方式覆盖了箱体结构的整个底部区域。
优选地，温度监控装置5采用工业温度计，装在黏附槽4的箱体结构内部，以利于对WC-Ni硬质合金粉末与粘结剂的混合物的直接温度检测。
结合图1，多个改向滚轮构成的改向轮组，从SiC纤维素材滚筒输送的SiC纤维素材经过改向轮组进入到黏附槽4内部进行黏附改性，以将WC-Ni硬质合金粉末与粘结剂的混合物黏附到SiC纤维素材表面，如前述表示的，WC-Ni硬质合金粉末通过粘结剂包裹于SiC纤维素材的表面，然后输送到复合SiC纤维滚筒进行缠绕。
结合图1，改向轮组设置在第一架体21和第二架体22之间。改向轮组包括固定到箱体结构一侧顶部的第一滚轮6-1、固定到基底一侧的第二滚轮6-2、固定到基底相对另一侧的第三滚轮6-3以及固定到箱体结构相对另一侧顶部的第四滚轮6-4，SiC纤维素材依次经过第一滚轮6-1、第二滚轮6-2、第三滚轮6-3以及第四滚轮6-4后，经由复合SiC纤维滚筒进行缠绕。
如图2，复合SiC纤维滚筒2可通过以缠绕驱动系统8驱动旋转，缠绕驱动系统8包括可输出旋转力矩的马达，例如气动马达或者电动马达，通过输出的旋转力带动复合SiC纤维滚筒2旋转，收集经过改性的SiC纤维素材，即复合SiC纤维布。
根据本发明的改进，复合SiC纤维布进行剪裁后，将多层复合SiC纤维布互为角度方向、多层叠放后，进行真空除气脱除粘结剂以及加压压制，可得到本发明的SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料。
结合图1所示的复合，本发明公开的示例的SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料，具体通过下述制备方法制得：
步骤1、在惰性气体保护环境中，装载WC-Ni粉末与粘结剂，并通过加热和温度监控控制WC-Ni粉末与粘结剂的黏附温度在预定范围；
步骤2、将SiC纤维素材通过装有WC-Ni粉末与粘结剂改性环境，在SiC纤维素材表面形成WC-Ni黏附层；
步骤3、带有WC-Ni黏附层的SiC纤维素材进行滚筒缠绕，形成紧密相排的SiC纤维-WC-Ni结合物；
步骤4、将步骤3得到的SiC纤维-WC-Ni结合物剥离，使用剪裁工具沿不同方向裁剪成复合SiC纤维布；
步骤5、将不同方向的SiC纤维布互为角度方向层叠后，放入热压炉中升温、保温，进行真空除气脱除粘结剂,再在惰性气氛保护下，继续升温、保温，加压制得SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料。
优选地，所述SiC纤维素材占整个SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料重量的4-8％。
优选地，所述WC-Ni硬质合金粉末中，Ni占WC和Ni粉末总重量的10％。
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
优选地，所述层叠的层数为20-50层。
优选地，所述制备方法中的工艺条件控制为：
步骤1中，所述黏附温度控制范围为180-200℃；
步骤5中，所述脱除粘结剂的温度为550-750℃；保温时间0.5-2h；
步骤5中，所述压制温度为1360-1580℃；保温时间2-6h；保压压力为60-80MPa。
下面结合具体示例进行具体实施过程的说明。
{实施例1}
步骤(1)、将配比好的粘结剂与WC-Ni粉末置于黏附槽4中，以氩气作为保护气，通过加热装置和温度监控装置实现对黏附槽中的WC-Ni粉末与粘结剂进行温度控制180-200℃；
步骤(2)、以规格3k的SiC纤维丝束经改向轮组通过装有WC-Ni粉末与粘结剂的黏附槽，在SiC纤维素材表面形成WC-Ni附着层；
步骤(3)、带有WC-Ni黏附层的SiC纤维素材在缠绕驱动系统的控制下，于复合SiC纤维滚筒表面形成紧密相排的SiC纤维-WC-Ni结合物(SiC纤维占总重量的4％)；
步骤(4)、剥离复合SiC纤维素材，用剪裁工具沿不同方向裁剪成复合SiC纤维布；
步骤(5)、将复合SiC纤维布互为角度方向层叠放置如图4所示，堆叠20层,放入热压炉中升温至600℃保温1h进行真空除气脱除粘结剂,再在氩气气氛保护下，继续升温至1450℃，分别保温2h，施加60Mpa压力制得SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料.
{实施例2}
步骤(1)、将配比好的粘结剂与WC-Ni粉末置于黏附槽中，以氩气作为保护气，通过加热装置和温度监控装置实现对黏附槽中的WC-Ni粉末与粘结剂进行温度控制180-200℃；
步骤(2)、以规格3k的SiC纤维丝束经改向轮组通过装有WC-Ni粉末与粘结剂的黏附槽，在SiC纤维素材表面形成WC-Ni附着层；
步骤(3)、带有WC-Ni黏附层的SiC纤维素材在缠绕驱动系统的控制下，于复合SiC纤维滚筒表面形成紧密相排的SiC纤维-WC-Ni结合物(SiC纤维占总重量的4％)；
步骤(4)、剥离复合SiC纤维素材，用剪裁工具沿不同方向裁剪成复合SiC纤维布；
步骤(5)、将复合SiC纤维布互为角度方向层叠放置如15所示，堆叠40层,放入热压炉中升温至650℃保温1h进行真空除气脱除粘结剂,再在氩气气氛保护下，继续升温至1475℃，保温3h，施加70Mpa压力制得SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料。
{实施例3}
步骤(1)、将配比好的粘结剂与WC-Ni粉末置于黏附槽中，以氩气作为保护气，通过加热装置和温度监控装置实现对黏附槽中的WC-Ni粉末与粘结剂进行温度控制180-200℃；
步骤(2)、以规格6k的SiC纤维丝束经改向轮组通过装有WC-Ni粉末与粘结剂的黏附槽，在SiC纤维素材表面形成WC-Ni附着层；
步骤(3)、带有WC-Ni黏附层的SiC纤维素材在缠绕驱动系统的控制下，于复合SiC纤维滚筒表面形成紧密相排的SiC纤维-WC-Ni结合物(SiC纤维占总重量的6％)；
步骤(4)、剥离复合SiC纤维素材，用剪裁工具沿不同方向裁剪成复合SiC纤维布；
步骤(5)、将复合SiC纤维布互为角度方向层叠放置如15所示，堆叠40层,放入热压炉中升温至650℃保温1h进行真空除气脱除粘结剂,再在氩气气氛保护下，继续升温至1475℃，保温3h，施加80Mpa压力制得SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料。
{实施例4}
步骤(1)、将配比好的粘结剂与WC-Ni粉末置于黏附槽中，以氩气作为保护气，通过加热装置和温度监控装置实现对黏附槽中的WC-Ni粉末与粘结剂进行温度控制180-200℃；
步骤(2)、以规格6k的SiC纤维丝束经改向轮组通过装有WC-Ni粉末与粘结剂的黏附槽，在SiC纤维素材表面形成WC-Ni附着层；
步骤(3)、带有WC-Ni黏附层的SiC纤维素材在缠绕驱动系统的控制下，于复合SiC纤维滚筒表面形成紧密相排的SiC纤维-WC-Ni结合物(SiC纤维占总重量的8％)；
步骤(4)、剥离复合SiC纤维素材，用剪裁工具沿不同方向裁剪成复合SiC纤维布；
步骤(5)、将复合SiC纤维布互为角度方向层叠放置如15所示，堆叠20层,放入热压炉中升温至650℃保温1h进行真空除气脱除粘结剂,再在氩气气氛保护下，继续升温至1500℃，保温3h，施加80Mpa压力制得SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料。
力学性能测试结果见表1；
表1力学性能对比
由此可见，本发明的复合材料采用粉末冶金技术，以WC-Ni合金为基体,添加SiC纤维，通过上述制备工艺，制得SiC纤维-WC-Ni硬质合金复合材料，其优点体现在：
(1)强度高、韧性好、硬度高、致密度高；其中：
断裂韧度：11.9-12.7MPa·m1/2；
维氏硬度：1548-1615；
抗弯强度：941-963MPa；
比重：14.57-14.66g/cm3。
SiC纤维强度高，成分纯净，内部缺陷少。而且WC-Ni粉末通过粘结剂包裹于SiC纤维表面，当不同方向的纤维布交替叠放后,可使SiC纤维在复合材料中均匀分布；SiC纤维在材料中起到了裂纹桥联、裂纹偏转、拔出效应等作用,在提髙其强度的同时，提高了材料的韧性；
(2)制备工艺简单，成本低；本发明的SiC纤维WC-Ni硬质合金性能相较于WC-Co硬质合金改性来说，具有更加优良的材料性能，尤其是本发明的WC-Ni硬质合金具有更佳的抗氧化性、耐腐蚀性，而且Ni资源丰富、价格低廉且对环境友好、无毒，可以应用于机械、冶金、军事等各个工业行业。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
